构造地质学第五章课件

第五章

岩石力学性质第一节岩石力学性质的几个基本概念差应力σ1-σ3常规三轴真三轴231σ1>σ2=σ3σ1≠σ2

≠σ3

有关岩石在应力作用下的变形行为的多数资料是通过岩石变形实验得来的,岩石在外力的作用下,一般都会经历弹性变形、塑性变形、断裂变形三个阶段。这三个阶段依次发生,但不是截然分开的,而是彼此过渡的。由于岩石力学性质不同,不同岩石的三个变形阶段的长短和特点也各不相同。岩石变形的阶段1、弹性变形

(1)弹性变形的概念:

岩石在外力作用下变形,当外力解除后,岩石又恢复到变形前的状态,这种变形行为叫弹性变形

(2)弹性变形的特点:应力和应变呈线性关系,符合胡克定律:

σ=Ee式中σ为应力,e为应变,E为弹性模量线段OA为弹性变形阶段，在岩石变形的初期阶段,应力应变图上为一段斜率较陡的直线0A,说明应力与应变成正比,在A点前撤除应力,岩石可恢复到变形前的形态.(2)塑性变形的概念:物体受力变形,当应力达到或超过屈服点后造成岩石永久应变的变形叫塑性变形

2、塑性变形(3)塑性变形的特点:AB曲线为塑性变形阶段。应力与应变呈非线形关系,当外力解除之后物体也不能恢复原状。过A点后应力缓慢增加，一直到B点，应力值达到最大值。

(1)屈服应力σy:随着变形继续，应力-应变曲线斜率变小，这是如果撤去应力，曲线并不回到原点，而与e轴交与e1，试样超过弹性极限而永久变形，这个极限点的应力叫屈服应力。

完全塑性变形：在屈服应力作用下，岩石以韧性方式连续变形，其应力-应变曲线的斜率为零。应变硬化——同一岩石的强度,在不同性质的应力作用下,差别较大。

常温常压下一些岩石的强度极限

岩石抗压强度(MPa)抗张强度(MPa)抗剪强度(MPa)花岗岩148(37－379)3－515－30大理岩102(31－262)3－910－30石灰岩96(6－360)3－612－20砂岩74(11－252)1－35－15玄武岩275(200－350)10页岩20－802岩石的抗压强度>抗剪强度>抗张(拉)强度脆性材料韧性材料在断裂前的塑性变形的应变量小于5%的材料在断裂前的塑性变形的应变量大于10%的材料牛顿流体流体的粘性流体内部各流层之间发生相对滑动，层面之间存在的一种内摩擦效应。牛顿流体线粘性定律对一定的粘性流体而言，流动速度梯度越大，其摩擦阻力就越大，即层面之间的剪应力越大。服从粘性定律的材料粘弹性体既具有弹性，又能发生粘性流动的材料各向异性由于成分和结构等的不同，造成岩石力学性质的各向异性。

在各向异性的岩石中，脆性破裂的发生将会受到先存薄弱面（各种界面）的影响，其极限强度将随主应力轴相对于岩石中的各向异性构造的方位变化而变化，而且，其剪裂面也可能明显的偏离断裂准则所预测的方向。围压

围压增大，一方面增大了岩石的极限强度，另一方面增大了岩石的韧性。围压

增大脆性韧性围压对岩石力学性质影响的原因在于,围压使固体物质的质点彼此靠近,增强了岩石的内聚力,从而使岩石不容易破裂。上述情况表明,在近地表的部位,岩石中的围压较小,因此,岩石多表现为脆性,因而容易发生脆性破裂;而在地壳的深处,岩石处于一种高围压的环境,因而,岩石表现为韧性,甚至出现韧性流动,所以容易形成褶皱和韧性断层。绝大多数岩石在近地表的常温常压的条件下是脆性的,随着岩石所处深度的增加,温度也随之的升高,温度的升高导致岩石的强度降低,弹性减弱,韧性显著增强。玄武岩岩石实验表明,在500MPa的围压下,25℃时玄武岩的强度极限为1500MPa,而在500℃时,玄武岩在100MPa的压应力下就开始塑性变形,当温度升至800℃时,则只需200MPa岩石就发生塑性变形了。矿物与岩石一样,温度升高,其弹性极限和抗压强度明显降低,容易发生塑性变形。对磁黄铁矿在100MPa围压下的变形实验表明,在25℃时,磁黄铁矿的强度极限为550MPa,当温度升至200℃时,矿物的弹性极限降至200MPa左右,当温度升至300℃以上,只需几十MPa就可使磁黄铁矿发生显著的塑性变形。岩石在地表多为脆性,到了一定深度随着温度的升高,岩石会从脆性向韧性过渡,因此,岩石的变形常把温度和围压一起考虑。Heard提出了以发生破坏时的应变值达到3－5%作为岩石脆性和韧性行为的转变,他对石灰岩作的实验,若以地壳岩石的平均压力梯度为27MPa/km,平均地热增温梯度为25℃/km,则石灰岩的脆性－韧性过渡在压缩条件下将出现在地下3.5km处,而在拉伸条件下,将出现在15km处。

温度增高对岩石力学性质影响的原因时由于温度升高时,岩石中质点(分子)的热运动增强,从而降低了质点之间的内聚力,使物质质点更容易位移。这就是为什么当温度升高使,较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形的原因。高温塑性变形形成的肠状褶皱孔隙流体

一方面，孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石的塑性变形。

另一方面，孔隙流体产生的孔隙压力，促使岩石易于发生脆性破裂并降低强度。岩石名称抗压强度(干)抗压强度(湿)强度降低率%花岗岩193－213162－17016－20闪长岩123.510821.8煌斑岩18314312石灰岩150.2118.521砾岩85.654.836砂岩87.15339页岩52.220.460岩石在干湿条件下的抗压强度孔隙流体——孔隙压力在沉积物沉积时,一些流体被封闭在粒间孔隙内,沉积物被压实后,其中部分液体被挤出,但大部分仍留岩石孔隙中和岩层中。这种岩石孔隙内的流体的压力称为孔隙压力。在正常情况下,地壳内任一深度上孔隙水的流体静压力相当于这一深度到地表的水柱的压力,约等于围压(静岩压力)的40%。由于快速沉积或构造变动使沉积物快速压实而孔隙水不能及时排出,可使孔隙压力异常增大。

孔隙压力Pp的作用在于,它抵消了围压Pc的作用,这时对变形起作用的是有效围压Pe:Pe=Pc－Pp因此,当岩石中存在有异常的孔隙压力时,就产生了类似降低围压的效果,降低围压就等于降低了岩石的强度。Heard在大理岩变形实验中发现,当孔隙压力为围压的90%时,压缩条件下的脆性－韧性过渡将由原来的3.5km加深到5.5km。Robinson在对石灰岩的变形实验中发现,岩石的孔隙压力增大时,其强度随之降低,并且降低的程度较明显,产生应变软化现象。应变软化使岩石在屈服应力下变软,因而岩石变形所需要的应力就减小,即使在较小的应力作用下,也可产生较大的变形。2、蠕变与松弛—概念时间

蠕变和松弛在低于岩石弹性极限下导致岩石发生塑性变形，相当与降低岩石弹性极限，韧性增大影响岩石力学性质的各种因素

影响因素强度韧性围压增大增大增大温度增大减小增大孔隙压力增大减小减小孔隙流体增多减小增大应变速率减小减小增大第四节岩石变形的微观机制一、脆性变形机制微破裂作用、碎裂作用和碎裂流——岩石是矿物的集合体,岩石的塑性变形是由岩石中矿物晶体单个晶体的晶内滑动或晶粒间的相对运动所造成的。矿物具有由原子或离子在三度空间周期性的有规律的排列的结构,称矿物晶格结构,这种结构中每个结点上的原子或离子在外力超过它们之间的内聚力时,就会产生位错滑移变形。矿物晶体的晶内滑动是沿着一定的晶体结晶面和结晶方向进行的,矿物晶体的滑移面和滑移方向构成了矿物晶体的滑移体系,不同的矿物有着不同的滑移体系,同一种矿物在不同的变形条件下,具有不同的滑移体系。矿物晶体的滑移面通常是原子和离子排列密度高的晶面,滑移方向则是滑移面上原子和离子排列最密集的方向。

二、塑性变形机制矿物晶体的晶内滑移不仅使晶粒形态改变而发生塑性变形,还可使矿物晶体的结晶轴发生旋转而产生定向排列。

矿物晶体的晶格位错的传播可以很形象地用移动地毯来说明,如果要拉动一张压着许多家具的地毯,显然要费很大力气,同样道理,沿着晶体内的一个面要使大量原子同时发生滑动,也需要很大的力,以致会产生晶体破裂。如果先将地毯的一边折成一个背拱,并慢慢使这一褶皱传递到相对应的另一边(必要时把家具稍抬起一下),最终便可使地毯在地板上整体平移一个小段距离。这一过程需要的力不大,只是时间较长。同样,矿物晶体中的晶格位错在通过滑移面发生传播时是通过额外半面的逐渐移动来完成的。最后,在滑移面一侧的晶体相对于另一侧的晶体发生了一个晶胞的位移,从而产生晶体的塑性变形。

动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，即核幔构造溶解蠕变：流体参与

扩散蠕变：通过空位运动和原子运动来实现。

体积扩散蠕变——纳巴罗－赫林蠕变

晶界扩散蠕变——柯勃尔蠕变

颗粒边界滑动：

T>0.5Tm，扩散速率大。

岩石可以发生很大变形，但晶粒本身无变形，因此无晶格优选和形态优选。

剪裂角

在岩石变形实验中发现,岩石受到挤压力的作用,会在与挤压力方向成一定交角的位置形成一对剪切破裂,由于这一对剪切破裂是受同一作用力而形成的,构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪切破裂。当岩石发生共轭剪切破裂时,包含最大主应力s象限的共轭剪切破裂面中间的夹角称为共轭剪切破裂角（2θ）最大主应力轴s作用方向与剪切破裂面的夹角称为剪裂角（θ）第五节岩石断裂准则

二维应力状态的应力分析可知,两组最大剪应力作用面与最大主应力轴s1或最小主应力轴的夹角均为45°,二剪裂面之间的夹角为90°,二剪裂面的交线是中间应力轴s2的作用方向。但从野外实地观察和室内岩石实验来看,岩石内两组共轭剪裂面的交角常以锐角指向最大主应力s1方向,即包含s1的共轭剪切破裂角常常小于90°,通常在60°左右,而共轭剪切破裂的剪裂角则小于45°,也就是说,两组共轭剪裂面并不沿理论分析的最大剪应力作用面的方位发育,这个现象可用库伦、莫尔强度理论来解释。

根据岩石实验,库伦剪切破裂准则认为,岩石抵抗剪切破坏的能力不仅与作用在截面上的剪应力有关,而且还与作用在截面上的正应力有关,设产生剪切破裂的极限剪应力为t,可写成如下关系式:

t=t0+msn

式中t0是当sn

=0时岩石的抗剪强度,在岩石力学中又称内聚力,

对于一种岩石而言t0是一常数。sn是剪切面上的正应力,当sn为压应力时,sn为正值,t将增大;当sn为张应力时,sn为负值,t将减小;m为内摩擦系数,即为上述直线方程中的直线的斜率,如果以直线的斜角f表示,则m=tanf,因此,上式可写成:

t=t0+sntanft=t0+sntanf

上式为库伦剪切破裂准则的关系式,f为岩石的内摩擦角。在s、t坐标的平面内,上式为两条直线,,称为剪切破裂线,该线与极限应力圆的切点代表剪切破裂面的方位及其应力状态。从图中可以看出,该切点并不代表最大剪应力作用的截面,而是代表略小于最大剪应力的一个截面。其上的压应力值介于s1

、s3之间,并接近s3

值。说明该截面上的剪应力值比最大剪应力值略小,其上的压应力值却比最大剪应力面上的压应力要小得多,因此,该截面阻碍剪裂发生的抵抗力也就小得多,所以,在这个截面上最容易产生剪切破裂。t=t0+sntanf

当岩石发生剪切破裂时,剪裂面与最大主应力轴s1的夹角(剪裂角)q=45°－f/2,共轭剪裂角为2q=90°－f。由此可见,剪裂角的大小取决于内摩擦角(f)的大小,内摩擦角小,剪裂角就大,内摩擦角大,剪裂角就小。不同岩石的内摩擦角是不同的,在变形条件相同的情况下,脆性岩石的内摩擦角往往要大于韧性岩石的内摩擦角。莫尔剪切破裂准则:

该准则认为,相当多材料的内摩擦角f并不是一个固定的常数,其破裂线的方程一般表达式为:tn=f(sn)

该破裂线称莫尔包络线,,它表现为曲线,包络线各点坐标(sn,tn)代表各种应力状态下在即将发生剪切破裂的截面上的极限应力值。由于f角是变化的,因而剪裂角q也是变化的,但仍小于45°。格里菲斯剪切破裂准则:

该准则认为,任何脆性材料,都存在大量的微小裂缝,脆性材料的断裂就是由这些微小的、无定向裂缝扩展的结果。当材料受力时,在微裂缝周围,特别是在裂缝尖端发生应力集中,使裂缝扩展,最后导致材料完全破坏。为此,格里菲斯提出了双轴应力状态下裂缝开始扩展的判别式:t2=4st

(st

－s)式中t为断裂面上的剪应力,s为断裂面上的正应力,